scholarly journals A New High-Throughput Focused MeV Ion-Beam Analysis Setup

Instruments ◽  
2021 ◽  
Vol 5 (1) ◽  
pp. 10
Author(s):  
Sören Möller ◽  
Daniel Höschen ◽  
Sina Kurth ◽  
Gerwin Esser ◽  
Albert Hiller ◽  
...  
Keyword(s):  
Gamma Ray ◽  
Rutherford Backscattering Spectrometry ◽  
Ion Beam ◽  
Complete Analysis ◽  
Nuclear Reaction Analysis ◽  
Beam Optics ◽  
Single Measurement ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
Beam Analysis ◽  
Technical Solutions

The analysis of material composition by ion-beam analysis (IBA) is becoming a standard method, similar to electron microscopy. A pool of IBA methods exists, from which the combination of particle-induced-X-ray emission (PIXE), particle induced gamma-ray analysis (PIGE), nuclear-reaction-analysis (NRA), and Rutherford-backscattering-spectrometry (RBS) provides the most complete analysis over the whole periodic table in a single measurement. Yet, for a highly resolved and accurate IBA analysis, a sophisticated technical setup is required integrating the detectors, beam optics, and sample arrangement. A new end-station developed and installed in Forschungszentrum Jülich provides these capabilities in combination with high sample throughput and result accuracy. Mechanical tolerances limit the device accuracy to 3% for RBS. Continuous pumping enables 5*10−8 mbar base pressure with vibration amplitudes < 0.1 µm. The beam optics achieves a demagnification of 24–34, suitable for µ-beam analysis. An in-vacuum manipulator enables scanning 50 × 50 mm² sample areas with 10 nm accuracy. The setup features the above-mentioned IBA detectors, enabling a broad range of analysis applications such as the operando analysis of batteries or the post-mortem analysis of plasma-exposed samples with up to 3000 discrete points per day. Custom apertures and energy resolutions down to 11 keV enable separation of Fe and Cr in RBS. This work presents the technical solutions together with the quantification of these challenges and their success in the form of a technical reference.

Ion Beam Techniques for Low K Materials Characterization

1998 ◽  
Vol 511 ◽  
Author(s):  
H. Bakhru ◽  
A. Kumar ◽  
T. Kaplan ◽  
M. Delarosa ◽  
J. Fortin ◽  
...  
Keyword(s):  
Rutherford Backscattering Spectrometry ◽  
Ion Beam ◽  
Nuclear Reaction Analysis ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
Analytical Technique ◽  
Analysis Techniques ◽  
Teflon Af ◽  
Beam Analysis ◽  
Low K

ABSTRACTIon beam analysis techniques have become very useful for characterization of low k materials. Studies on several ion beam analysis techniques will be discussed. Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) provides a very powerful analytical technique for the thickness and porosity measurements on porous Si0 2 films. Nuclear Reaction Analysis (NRA) techniques for hydrogen and fluorine profiling are very useful to characterize fluorinated polymer and fluorinated oxide films. Examples of low k materials including Si02:F, Parylene-AF and Teflon-AF will be discussed. Fluorine diffusion in to metals and various interface effects between metal and low k materials will be presented.

THE NEW LOW ENERGY ION BEAM ANALYSIS FACILITY AT MAPUTO UNIVERSITY

1995 ◽  
Vol 05 (04) ◽  
pp. 249-253
Author(s):  
R.J. UTUI ◽  
N.P.O. HOMMAN ◽  
K.G. MALMQVIST
Keyword(s):  
Ion Beam ◽  
Low Energy ◽  
Proton Accelerator ◽  
Nuclear Reaction Analysis ◽  
Beam Diagnostics ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
X Ray ◽  
Beam Analysis ◽  
Set Up ◽  
Eduardo Mondlane University

A new Ion Beam Analysis (IBA) facility which was recently installed in the Department of Physics of the Eduardo Mondlane University of Maputo, Mozambique, is described. The set up is based on a low energy (500 keV) Van de Graaff proton accelerator and is intended to be used in particle induced X-ray emission (PIXE), Rutherford Backscattering (RBS) and nuclear reaction analysis (NRA). Preliminary experiments on beam diagnostics were performed successfully and the followed procedure is described.

Characterization of SiC Thin Film Obtained by Magnetron Reactive Sputtering: IBA, IR and Raman Studies

2005 ◽  
Vol 483-485 ◽  
pp. 287-290
Author(s):  
H. Colder ◽  
M. Morales ◽  
Richard Rizk ◽  
I. Vickridge
Keyword(s):  
Nuclear Reaction ◽  
Hydrogen Content ◽  
Rutherford Backscattering Spectrometry ◽  
Ion Beam ◽  
Nuclear Reaction Analysis ◽  
Elastic Recoil ◽  
Crystalline Fraction ◽  
Elastic Recoil Detection ◽  
Beam Analysis

Co-sputtering of silicon and carbon in a hydrogenated plasma (20%Ar-80%H2) at temperatures, Ts, varying from 200°C to 600°C has been used to grow SiC thin films. We report on the influence of Ts on the crystallization, the ratio Si/C and the hydrogen content of the grown films. Film composition is determined by ion beam analysis via Rutherford backscattering spectrometry, nuclear reaction analysis via the 12C(d,p0)13C nuclear reaction and elastic recoil detection analysi(ERDA) for hydrogen content. Infrared absorption (IR) has been used to determine the crystalline fraction of the films and the concentration of the hydrogen bonded to Si or to C. Complementary to IR, bonding configuration has been also characterized by Raman spectroscopy. As Ts is increased, the crystalline fraction increases and the hydrogen content decreases, as observed by both ERDA and IR. It also appears that some films contain a few Si excess, probably located at the nanograin boundaries.

Adsorption and diffusion of strontium in simulated rock fractures quantified via ion beam analysis

2012 ◽  
Vol 76 (8) ◽  
pp. 3203-3215 ◽  
Author(s):  
T. Ohe ◽  
B. Zou ◽  
K. Noshita ◽  
I. Gomez-Morilla ◽  
C. Jeynes ◽  
...  
Keyword(s):  
Rutherford Backscattering Spectrometry ◽  
Rapid Determination ◽  
Ion Beam ◽  
Effective Diffusion ◽  
Atomic Weight ◽  
Alpha Particles ◽  
Transport Parameters ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
Starting Solution ◽  
Beam Analysis

AbstractAn experimental technique has been developed and applied to the problem of determining effective diffusion coefficients and partition coefficients of Sr in low permeability geological materials. This technique, the micro-reactor simulated channel method (MRSC), allows rapid determination of contaminant transport parameters with resulting values comparable to those determined by more traditional methods and also creates product surfaces that are amenable for direct chemical analysis. An attempt to further constrain mass flux was completed by detailed ion beam analysis of polished tuff surfaces (tuff is a polycrystalline polyminerallic aggregate dominated by silicate phases) that had been reacted with Sr solutions at concentrations of 10−5, 10−3 and 10−1 mol l−1. Ion beam analysis was carried out using beams of both protons (using particle induced X-ray emission and elastic backscattering spectrometry or EBS) and alpha-particles (using Rutherford backscattering spectrometry). The ion beam analyses showed that increased solution concentrations resulted in increased surface concentrations and that in the highest concentration experiment, Sr penetrated to at least 4 μm below the primary interface. The Sr surface concentrations determined by EBS were 0.06 (±0.05), 0.87 (±0.30) and 2.40 (±1.0) atomic weight % in the experiments with starting solution concentrations of 10−5, 10−3, and 10−1 mol l−1, respectively.

scholarly journals Integrating Non-Destructive Ion Beam Analysis Methods and AMS Radiocarbon Dating for the Study of Ancient Bronze Statues

Radiocarbon ◽  
2012 ◽  
Vol 54 (3-4) ◽  
pp. 801-812 ◽  
Author(s):  
Gianluca Quarta ◽  
Lucio Calcagnile ◽  
Massimo Vidale
Keyword(s):  
Analytical Methods ◽  
Gamma Ray ◽  
Ion Beam ◽  
Compositional Analysis ◽  
Particle Accelerators ◽  
Accelerator Facility ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
Ams Radiocarbon Dating ◽  
Beam Analysis ◽  
Wide Range

Analytical methods based on particle accelerators are widely used in cultural heritage diagnostics and archaeological sciences from the absolute dating of organic materials by means of radiocarbon accelerator mass spectrometry (AMS) to the analysis of the elemental composition of a wide range of materials (metals, obsidians, pottery) via ion beam analysis (IBA) techniques. At CEDAD (Centre for Dating and Diagnostics), the accelerator facility of the University of Salento, AMS 14C dating and PIXE (particle-induced X-ray emission)-PIGE (particle-induced gamma-ray emission) compositional analysis in external beam mode are combined to study certain archaeological materials. We present a review of the combined application of these analytical methods in the study of casting cores of the Riace bronzes, 2 classical Greek statues of extraordinary importance for the history of art.

scholarly journals Absolute Local Quantification of Li as Function of State-of-Charge in All-Solid-State Li Batteries via 2D MeV Ion-Beam Analysis

Batteries ◽  
2021 ◽  
Vol 7 (2) ◽  
pp. 41
Author(s):  
Sören Möller ◽  
Takahiro Satoh ◽  
Yasuyuki Ishii ◽  
Britta Teßmer ◽  
Rayan Guerdelli ◽  
...  
Keyword(s):  
Solid State ◽  
Lithium Batteries ◽  
Gamma Ray ◽  
Ion Beam ◽  
State Of Charge ◽  
Ex Situ ◽  
Lithium Content ◽  
Emission Analysis ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
Beam Analysis

Direct observation of the lithiation and de-lithiation in lithium batteries on the component and microstructural scale is still difficult. This work presents recent advances in MeV ion-beam analysis, enabling quantitative contact-free analysis of the spatially-resolved lithium content and state-of-charge (SoC) in all-solid-state lithium batteries via 3 MeV proton-based characteristic x-ray and gamma-ray emission analysis. The analysis is demonstrated on cross-sections of ceramic and polymer all-solid-state cells with LLZO and MEEP/LIBOB solid electrolytes. Different SoC are measured ex-situ and one polymer-based operando cell is charged at 333 K during analysis. The data unambiguously show the migration of lithium upon charging. Quantitative lithium concentrations are obtained by taking the physical and material aspects of the mixed cathodes into account. This quantitative lithium determination as a function of SoC gives insight into irreversible degradation phenomena of all-solid-state batteries during the first cycles and locations of immobile lithium. The determined SoC matches the electrochemical characterization within uncertainties. The presented analysis method thus opens up a completely new access to the state-of-charge of battery cells not depending on electrochemical measurements. Automated beam scanning and data-analysis algorithms enable a 2D quantitative Li and SoC mapping on the µm-scale, not accessible with other methods.

scholarly journals Cross-section studies of deuteron reactions and application in light element ion beam analysis techniques

2020 ◽  
Author(s):  
Ελένη Ντέμου
Keyword(s):  
Ion Beam ◽  
Light Element ◽  
Nuclear Data ◽  
Nuclear Reaction Analysis ◽  
Elastic Recoil ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
R Matrix ◽  
Detection Analysis ◽  
Beam Analysis ◽  
Nuclear Data Library

Οι αναλυτικές τεχνικές με δέσμες ιόντων (Ion Beam Analysis (IBA) techniques) χρησιμοποιούνται ευρέως για την ανάλυση στοιχείων ή/και ισοτόπων στα επιφανειακά στρώματα στερεών. Η ευρεία χρήση τέτοιων μεθόδων έγκειται στο γεγονός ότι είναι -σχεδόν- μη καταστροφικές για τα υπό ανάλυση δείγματα. H εφαρμογή τους περιλαμβάνει την ανίχνευση των σωματιδίων ή της ακτινοβολίας που προκύπτει μετά την αλληλεπίδραση των σωματιδίων της δέσμης με τα άτομα ή τους πυρήνες των επιφανειακών στρωμάτων του στόχου και καταλήγει στον ποσοτικό προσδιορισμό και στην κατά βάθος ανάλυση στοιχείων σε ένα δείγμα. Για να εφαρμοσθούν ιοντικές τεχνικές ανάλυσης και να εξαχθούν τα αντίστοιχα συμπεράσματα είναι απαραίτητη η εκ των προτέρων γνώση των αντίστοιχων τιμών της διαφορικής ενεργού διατομής. Ωστόσο, ο αναλυτικός υπολογισμός τέτοιων τιμών, στην ενεργειακή περιοχή των MeV, είναι αδύνατος εφόσον η φυσική που περιλαμβάνεται στην αλληλεπίδραση δέσμης-στόχου είναι μόνο μερικώς γνωστή. Επομένως, η εφαρμογή αυτών των αναλυτικών τεχνικών βασίζεται στην ύπαρξη των αντίστοιχων πειραματικών δεδομένων στην βιβλιογραφία. Τα ελαφρά στοιχεία χρησιμοποιούνται ευρέως στην βιομηχανία. Είναι καίριας σημασίας στον τομέα της ανάλυσης υλικών λόγω της ύπαρξης τους στα κεραμικά, στα γυαλιά και στα πολυμερή ενώ συχνά προστίθενται σε μεταλλικά κράματα με σκοπό να βελτιώσουν συγκεκριμένες ιδιότητες όπως είναι η σκληρότητα και η δυσκαμψία υλικών αλλά και η αντοχή τους στην φθορά και η θερμική αντίσταση. Συνεπώς, ο ακριβής ποσοτικός προσδιορισμός της κατά βάθος κατανομής των ελαφρών στοιχείων, τα οποία βρίσκονται σε μια πληθώρα διαφορετικών μητρών, έχει τεράστια σημασία για την σύγχρονη έρευνα και τεχνολογία. Τέτοια αποτελέσματα μπορούν να εξαχθούν με την εφαρμογή πυρηνικών αναλυτικών τεχνικών και πιο συγκεκριμένα μέσω της μεθόδου ανίχνευσης του ελαστικά ανακρουόμενου πυρήνα (ERDA - Elastic Recoil Detection Analysis) για λεπτά επιφανειακά στρώματα και μέσω της μεθόδου πυρηνικών αντιδράσεων (NRA - Nuclear Reaction Analysis) λόγω της παραγωγής απομονωμένων κορυφών (περιλαμβάνονται υψηλές τιμές Q) με αμελητέο υπόβαθρο. Παράλληλα, η χρήση της δέσμης δευτερίων παρουσιάζει το πολύ μεγάλο πλεονέκτημα της καλύτερης διακριτικής ικανότητας βάθους σε σύγκριση με μια δέσμη πρωτονίων και παράλληλα της ταυτόχρονης διέγερσης σχεδόν όλων των ελαφρών στοιχείων/ισοτόπων που συνυπάρχουν σε ένα δείγμα. Η εφαρμογή της τεχνικής d-NRA θα μπορούσε να ενισχυθεί με την ανάλυση των ελαστικών κορυφών που παράγονται ταυτόχρονα στο φάσματα με χρήση της ίδια πειραματικής διάταξης και συνθηκών. Η γενικευμένη εφαρμογή της τεχνικής EBS περιορίζεται κυρίως από τη μεγάλη βιβλιογραφική έλλειψη αξιόπιστων και ολοκληρωμένων δεδομένων ενεργών διατομών σε διάφορες γωνίες και ενέργειες κατάλληλες για την εφαρμογή ιοντικών τεχνικών ανάλυσης. Η συμβολή της παρούσας διατριβής στο πεδίο των ιοντικών τεχνικών ανάλυσης αποτελείται από δύο μέρη. Το πρώτο μέρος είναι μια συνολική μέτρηση των τιμών της διαφορικής ενεργού διατομής της ελαστικής σκέδασης δευτερίων σε πολλά σημαντικά σταθερά ελαφρά ισότοπα και στοιχεία, όπως είναι 6Li, 7Li, 9Be, 14N, natO, 23Na και natSi, σε ενέργειες και γωνίες κατάλληλες για αναλυτικούς σκοπούς. Σε συγκεκριμένες περιπτώσεις (natO, 23Na, natSi) ελέγχθηκε και η αξιοπιστία των εξαγόμενων πειραματικών δεδομένων (benchmarking) με χρήση παχέων στόχων γνωστής και ακριβής στοιχειομετρίας. Όλες οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο του Ινστιτούτου Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. «Δημόκριτος» χρησιμοποιώντας τον επιταχυντή 5.5 MV Tandem. Τα περισσότερα δεδομένα έχουν ήδη παραχωρηθεί στην IBANDL (Ion Beam Analysis Nuclear Data Library) υπό την αιγίδα της Διεθνούς Επιτροπής Ατομικής Ενέργειας, ώστε να αξιοποιηθούν από τη διεθνή επιστημονική κοινότητα τόσο σε προβλήματα βασικής έρευνας όσο και σε τεχνολογικές εφαρμογές ανάλυσης υλικών. Το δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής έγκειται στην συμπλήρωση των πειραματικών δεδομένων της ελαστικής σκέδασης δευτερίων σε φυσικό οξυγόνο με θεωρητικούς υπολογισμούς με σκοπό την επέκταση της υπάρχουσας φαινομενολογικής μελέτης (evaluation) σε υψηλότερες ενέργειες δευτερίων. Το οξυγόνο επιλέχθηκε καθώς αποτελεί το πιο σημαντικό στοιχείο, μεταξύ των μελετώμενων, από άποψη εφαρμογών. Η θεωρητική μελέτη πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της θεωρίας R-matrix, η οποία αποτελεί την καταλληλότερη θεωρητική προσέγγιση για τον υπολογισμό διαφορικών ενεργών διατομών ελαστικών σκεδάσεων συντονισμού. Η θεωρία R-matrix λαμβάνει υπόψιν της την αλληλεπίδραση του προσπίπτοντος ιόντος με τον πυρήνα συνολικά και οι παράμετροι του συγκεκριμένου θεωρητικού μοντέλου προσδιορίζονται με βάση τις πειραματικά προσδιορισμένες τιμές της διαφορικής ενεργού διατομής. Η παρούσα εργασία είναι δομημένη σε 2 αντίστοιχες ενότητες και συμπληρώνεται από το απαραίτητο θεωρητικό πλαίσιο και τις προοπτικές αυτής της μελέτης.

scholarly journals Status of Ion Beam Modification and Analysis of Materials at STU MTF

2018 ◽  
Vol 26 (43) ◽  
pp. 9-16
Author(s):  
Jozef Dobrovodský ◽  
Dušan Vaňa ◽  
Matúš Beňo ◽  
Anna Závacká ◽  
Martin Muška ◽  
...  
Keyword(s):  
Materials Science ◽  
Rutherford Backscattering Spectrometry ◽  
Ion Beam ◽  
Nuclear Reaction Analysis ◽  
First Year ◽  
Elastic Recoil ◽  
Ion Beam Modification ◽  
University Of Technology ◽  
Ion Accelerator ◽  
Beam Analysis

Abstract The new Ion Beam Centre (IBC) equipped with 6 MV tandem ion accelerator and 500 kV ion implanter systems was built at the Slovak University of Technology, Faculty of Materials Science and Technology (STU MTF). The facility provides Ion Beam Modification of Materials (IBMM) and Ion Beam Analysis (IBA), which includes Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), Particle Induced X-ray Analysis (PIXE), Elastic Recoil Spectrometry (ERDA) and Nuclear Reaction Analysis (NRA). Presented are selected experimental procedures carried out in the IBC during the first year of operation. They present examples of a typical IBA performed, such as thin film characterisation in nm to tens of µm range, elemental depth profiles and sensitivity to the light elements enhancement by non-Rutherford cross-section regime application along with the crystalline sample channelling spectra and boron content measurement.

scholarly journals RBS Channeling MATLAB Application for Automated Measurement Control and Evaluation for 6MV Tandetron Accelerator

2021 ◽  
Vol 11 (9) ◽  
pp. 3817
Author(s):  
Maximilian Stremy ◽  
Dusan Horvath ◽  
Dusan Vana ◽  
Michal Kebisek ◽  
Gabriel Gaspar ◽  
...  
Keyword(s):  
Rutherford Backscattering Spectrometry ◽  
Ion Beam ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
Beam Analysis ◽  
Measurement And Analysis ◽  
Measurement Control ◽  
Homogeneous Plane ◽  
Channeling Effect ◽  
High Voltage Engineering

Rutherford backscattering spectrometry (RBS) in channeling regimes (RBS/C), as an ion beam analysis method performed on a Tandetron 6MV accelerator, generally gives precise information about the structure of crystalline samples by combining RBS signals in the random and aligned configurations. This paper presents details about the design and implementation of tailored RBS/C measurements (coarse and fine) and data evaluation application developed in MATLAB for in situ accelerator control system ARGUS, delivered by High Voltage Engineering Europa BV (HVEE). Additionally, we examined two different ways of stepping during the measurement to reduce the possible inaccuracies related with goniometer’s backslash affecting the evaluation of spectra. Verification experiment was carried out using a 2-MeV 4He+-beam directed on a Si (100) substrate. The channeling effect is seen as channeling dips of a lower signal in an otherwise rather homogeneous plane. Implemented application significantly facilitates the RBS/C measurement and analysis of the experiments, and also extends the ion beam analysis portfolio of Advanced Technologies Research Institute. Finally, software is ready-to-use for any Tandetron based ion beam facility with the ARGUS software for accelerator control.

scholarly journals Application of ion beam analysis for the characterization of SiC- and DLC-thin films

2020 ◽  
Vol 15 ◽  
pp. 269
Author(s):  
F. Noli ◽  
P. Misaelides ◽  
M. Kokkoris ◽  
J. P. Riviere
Keyword(s):  
Thin Films ◽  
Silicon Carbide ◽  
Rutherford Backscattering Spectrometry ◽  
Protective Coatings ◽  
Ion Beam ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
Silicon Carbon ◽  
Beam Analysis

Three series of protective coatings (thickness ca. 200-300 nm) were prepared on the surface of Ti-Al-V alloy (TA6V): silicon carbide (SiC) films produced by ion sputtering (I), silicon carbide films and subjected to Dynamic Ion Mixing (DIM) during the deposition procedure (II) and Diamond Like Carbon (DLC) films produced by ion beam deposition (III). The chemical composition (Si, C and O) of the films was determined using ion beam analysis techniques. The silicon, carbon and oxygen depth distribution was determined by proton Rutherford backscattering spectrometry (p-RBS) and using the resonances at 4.265 and 3.035 MeV of the 12C(α,α)12C and 16O(α,α)16O interactions respectively. The ratio of Si:C was found to be close to the stoichiometric one. The corrosion resistance of the coated samples was tested under strong aggressive conditions (5M HCl at 50 oC). The investigation following the corrosion attack showed that the thickness of the films remained practically unchanged. Only slight diffusion and dissolution effects were observed indicating the good quality of the produced thin films.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document